Файл: Магистерская диссертация тема работы Потенциал закачки со 2 в истощенные месторождения васюганской свиты Томской.pdf

18 парниковых газов (и главным образом СО
2
) является одним из ключевых вопросов для современной человеческой цивилизации.
Среди общественности часто встречается мнение о том, что человечество не может оказать существенного влияния на изменение климата всей планеты, а глобальное потепление это лишь результат таких естественных процессов как циклы Миланковича и изменения солнечной активности. Циклы Миланковича – это колебания количества солнечной радиации, достигающей земной поверхности, за счет систематичного изменения эксцентриситета орбиты Земли, и колебаний угла наклона оси планеты. Данные циклы достаточно точно объясняют естественные палеоклиматические события, происходившие на Земле в прошлом, но абсолютно никак не связаны с текущими темпами глобального потепления. Кроме того, согласно циклам Миланковича, сейчас Земля должна находиться в «стадии охлаждения», которая уже началась 6 тысяч лет назад и еще будет продолжаться примерно 23 тысячи лет [41]. К тому же, солнечная активность за последние полвека значительно не изменялась, чего нельзя сказать о средней температуре поверхности Земли. Принимая факт наличия прямой корреляции между средней температурой Земли и концентрацией СО
2
в ее атмосфере, ряд критиков объясняют увеличение концентрации углекислого газа естественными извержениями вулканов. Однако, современный вулканизм в среднем приводит к выделению 0,13-0,44 млрд. тонн CO
2
в год [39], что составляет менее 1% от уровня антропогенной эмиссии, который в 2020 году составил 34,17 млрд тонн CO
2
[34]. Поэтому попытки объяснить текущее глобальное потепление естественными причинами невозможно. Несмотря на то, что антропогенная причина текущего глобального потепления формально так и остается гипотезой, официально реальность проблемы глобального потепления и антропогенные причины его возникновения не оспаривает ни одна страна мира.
С началом индустриализации и роста потребления энергоресурсов, наблюдается стремительный рост антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу (Рисунок 1.2). Несмотря на то, что за недавнее время этот рост

19 замедлился, чтобы достигнуть одной из целей Парижского соглашения по климату [31], а именно снижения выбросов наполовину к 2050 году, необходимо искать новые решения.
Рисунок 1.2 – Глобальная антропогенная эмиссия углекислого газа
В текущее время международные компании энергетического сектора следуют за рыночными и регуляторными сигналами и ставят цели не только по повышению энергоэффективности, усилению роли возобновляемых источников энергии, и переходу на низкоуглеродное топливо, но по сокращению выбросов парниковых газов – декарбонизации. В условиях тенденции к декарбонизации заметное место занимают CCUS проекты, которых в мире пока считанное число.
Международное энергетическое агентство и Международная группа экспертов
ООН по изменению климата признают, что без крупномасштабного распространения данных проектов реализация целей по сокращению выбросов не представляется возможной [28].
По состоянию на 2020 год Россия занимает четвертое место в мире по объемам выбросов – 1,53 млрд. тонн СО
2
(4,5 % от общемировых выбросов) после Китая (27,8 %), США (15,1 %) и Индии (7,2 %) [34]. На текущий момент в
России возможно уловить промышленным способом около 1,1 Гт ежегодных выбросов углекислого газа в атмосферу. При этом наибольшим стимулом к улавливанию выбросов обладают эмитенты диоксида углерода, продукция

20 которых идет на экспорт в европейские страны и попадет под действие трансграничного углеродного регулирования. К таким отраслям относятся черная металлургия, нефтегазохимия и производство алюминия. В перспективе в перечень облагаемых углеродным налогом отраслей возможно включение нефтепереработки по причине значительных выбросов при производстве.
На текущий момент в России пока нет ни одного промышленного проекта
ССUS, однако развитая нефтегазодобывающая отрасль и огромный потенциал для хранения диоксида углерода являются наилучшей базой для их скорого появления. По ряду оценок [35] теоретическая емкость геологических резервуаров-хранилищ СО
2
в России значительно превышает потенциал остальных стран, однако большинство природных резервуаров требует усилий для их доведения до готовности к закачке.
1.2. Ключевые аспекты технологии CCUS
В российских литературных источниках технологии Carbon Capture
Utilization and Storage (CCUS) называются технологиями улавливания, использования и хранения СО
2
. Отдельно встречаются Carbon Capture and
Storage (CCS) – технология улавливания и секвестрации (захоронения) углерода, и Carbon Capture and Utilization (CCU) – технология улавливания и утилизации
(использования) углерода. Данные технологии подразумевают захват CO
2
и/или других соединений углерода, выделяющихся в качестве побочных продуктов реакций при сжигании топлива, производстве электроэнергии и других промышленных процессов, и их дальнейшее захоронение в геологических резервуарах. Разница между ССU и CCS технологиями заключается в том, что утилизация СО
2
всегда подразумевает какое-либо полезное использование углекислого газа, в то время как секвестрация углерода подразумевает перманентное захоронение захваченного объема газа в геологические формации без использования возможных дополнительных эффектов.

21
Таким образом, отличительной особенностью CCUS технологии является то, что под одним термином она объединяет целое семейство взаимосвязанных технологий, позволяя выбрать наиболее подходящий для конкретного проекта вариант улавливания, транспортировки, утилизации или захоронения СО
2
, и обеспечивая тем самым необходимую гибкость проекта. На Рисунке 1.3 приведена упрощенная схема CCUS технологии.
Рисунок 1.3 – Концептуальная схема типичного CCUS проекта [35]
Первым технологическим этапом любого ССUS проекта является улавливание углекислого газа, цель которого заключается в создании концентрированного потока СО
2
высокого давления, который можно легко транспортировать. Данный этап является самым дорогостоящим в производственной цепочке секвестрации СО
2
, на долю которого приходится до
70% общей стоимости проекта [35]. Технологии улавливания углерода существенно отличаются в зависимости от той отрасли промышленности, где они применяются, однако среди них выделяют три основные группы: улавливание до сжигания (топлива), улавливание после сжигания и улавливание
СО
2
при сжигании в кислороде [49].
Улавливание до сжигания подразумевает реакцию углеводородного топлива (метан) с кислородом воздуха и водяным паром для получения синтез- газа, который представляет собой смесь монооксида углерода с водородом.
Монооксид углерода затем реагирует с водяным паром в каталитическом

22 реакторе по реакции сдвига, в результате чего образуется диоксид углерода и водород. Полученный таким образом CO
2
отделяется от H
2
с помощью процесса химической абсорбции с использованием аминового раствора (в качестве абсорбента) либо с помощью криогенной дистилляции. Сепарация СО
2
также может происходить по принципу физической абсорбции, когда углекислый газ образует слабые связи с растворителем (Rectisol, Selexol) при высоких давлениях и высвобождается, когда давление понижается. Так как при физической абсорбции количество затрачиваемой энергии обратно пропорционально содержанию СО
2
, то ее применение эффективно при высоких концентрациях
(более 15%).
Принцип улавливания после сжигания заключается в отделении CO
2
от дымовых газов после сжигания топлива. Как правило, концентрация диоксида углерода в дымовом газе составляет всего лишь 8–15%. В данном методе улавливания как правило используется аминовая очистка холодным раствором моноэтаноламина (МЭА), вступающим в реакцию с СО
2
и образующим с ним устойчивые связи. Затем насыщенный двуокисью углерода поток МЭА попадает в десорбер, где под воздействием тепла химические связи, удерживающие СО
2
в растворе амина, разрушаются, а концентрированный поток углекислого газа охлаждается и сжимается для последующей транспортировки. Принципиальная схема улавливания СО
2
из дымовых газов представлена на Рисунке 1.4.
Улавливание после сжигания не требует дорогостоящих технологий требуемых при сепарации СО
2
из синтез-газа (при улавливании до сжигания), и является наиболее жизнеспособным и опробованным способом улавливания, по причине невмешательства в основной технологический процесс. Однако несмотря на то, что химическая абсорбция, лежащая в основе процесса улавливания после сжигания, хорошо изучена, ее главными недостатками являются большие затраты ресурсов и значительные энергетические потери [53].
Подобно улавливанию до сжигания, при улавливании путем сжигания в кислороде вместо воздуха используется чистый кислород, получая при этом дымовой газ, состоящий почти исключительно из СО
2
(примерно 80% объема) и

23 водяного пара, который в дальнейшем удаляется посредством конденсации воды. Помимо высокой концентрации CO
2
в выходящем потоке, достоинством метода является простота сепарации выхлопных газов. Основными недостатками являются высокие капитальные затраты, относительно слабая изученность процесса и большая потребность в электроэнергии для выделения кислорода из окружающего воздуха [46].
Рисунок 1.4 – Принципиальная схема аминовой очистки дымового газа от CO
2
Вторым важным этапом ССUS проекта является транспортировка
«пойманного» на прошлой стадии СО
2
. Процесс транспортировки диоксида углерода во многом похож на транспорт природного газа. Перед транспортировкой требуется осушить СО
2
в целях предотвращения коррозии и гидратообразования. После этого можно использовать существующие способы транспортировки: трубопроводный, авто- и железнодорожные цистерны.
Транспорт углекислого газа по трубопроводу является наиболее распространенным. На текущий момент в мире протяженность трубопроводов только для углекислого газа составляет уже порядка 7 тысяч км, а диаметр трубопроводов достигает 921 мм, что сопоставимо с диаметром магистральных газопроводов. При этом по самым скромным оценкам [35] только в Европе

24 протяженность трубопроводов для выполнения плана развития технологий секвестрации СО
2
, должна составить около18 тысяч км.
По сравнению с метаном, термобарические свойства диоксида углерода существенно благоприятнее для транспортировки: при температурах от минус 20 до плюс 30°С давление насыщенных паров СO
2
составляет от 20 до 70 атмосфер, что позволяет транспортировать диоксид углерода в жидком состоянии при относительно невысоких давлениях. Так, метан при данных температурах и давлениях в основном пребывает в газообразном состоянии. Исходя из международной практики [53], для транспорта СО
2 в жидком состоянии рабочее давление поддерживается не ниже от 7,38 МПа, т.к. при меньшем давлении существует вероятность образования в потоке газовой фазы в результате местных колебаний температур на разных участках газопровода. Если в потоке
СО
2
присутствуют примеси других веществ (СН
4
, H
2
S), транспортировка осуществляется при давлениях от 8,6 МПа. Максимально-допустимое давление, при транспортировке не должно превышать 15,3 МПа [48]. Плотность СО
2
при этих условиях составляет порядка 800-900 кг/м
3
Рядом экспертов [45,
46] отмечается технологическая простота транспортировки углекислого газа в сжиженном или сверхкритическом состоянии по сравнению с транспортом чисто газовой фазы. Кроме того, среднее требуемое расстояние между компрессорными/насосными станциями составляет около 300-400 км против 100-150 км при транспортировке природного газа.
Транспортировка СO
2
, в авто- и железнодорожных цистернах целесообразна при малых объемах. На некоторых из существующих проектов
ССUS используются автоцистерны, однако ряд организаций сходится во мнении, что данный способ транспортировки вряд ли будет играть значительную роль в будущем [35, 53]. Транспортировка СO
2
, посредством газовозов является хорошей альтернативой трубопроводу в прибрежных регионах. Малотоннажные суда грузоподъемностью до 1 тысяч тонн с пищевым углекислым газом уже курсируют по внутренним рекам и омывающим Европу морям.
Крупнотоннажные газовозы СО
2
, с грузоподъемностью до 40 тысяч тонн во

25 многом похожи на СУГовозы. Транспортировка сжиженного углеводородного газа (СУГ) танкерами осуществляется на протяжении уже практически 70 лет. В данной области накоплена серьезная экспертиза, которую при необходимости можно будет применить к морскому транспорту диоксида углерода.
Завершительным этапом ССUS проекта является использование и/или перманентное захоронение СО
2 в подходящие геологические формации. Данный этап предполагает использование широкого спектра накопленных компетенций нефтегазовой индустрии. Реализация проектов секвестрации углерода в значительной степени производится специалистами нефтегазовой сферы: геологами, геофизиками, специалистами по бурению и заканчиванию скважин.
Как правило, на объектах добычи и переработки углеводородного сырья уже частично имеется необходимая инфраструктура для закачки углекислого газа в пласт. В виду существования большого спектра вопросов и аспектов захоронения СО
2
в геологических пластах, данный этап ССUS технологии будет рассмотрен подробнее в данной работе.

26
CO
2
. Как правило, на таких месторождениях уже имеется вся необходимая инфраструктура.
2. Закачка
в
глубокозалегающие
высокоминерализированные
водоносные горизонты (не следует путать с неглубокими водоносными горизонтами питьевой воды). Данные резервуары распространены достаточно повсеместно и теоретически имеют гораздо бо́льший потенциал для закачки, однако по сравнению с залежами нефти и газа водоносные горизонты гораздо менее изучены – в них разбурено гораздо меньшее количество скважин: в основном бурением охвачены только питьевые воды, которые составляют малую часть всех запасов подземных вод.
Рисунок 1.5 – Варианты подземной утилизации углекислого газа [28]
3. Использование CO
2
в качестве агента в методах увеличения
нефтеотдачи (МУН). Данный вариант является единственным хорошо изученным и широко применяемым на практике способом утилизации уловленного CO
2
, в результате которого повышается как и текущая добыча, так и конечный коэффициент извлечения нефти (КИН). На текущий момент именно использование

27 диоксида углерода в качестве МУН признается наиболее коммерчески успешным среди всех проектов CCUS (78% реализуемых в мире проектов связаны с МУН
[46]), но остается крайне зависимым от цены на нефть. Порядка 44% всех проектов
МУН в мире – закачка углекислого газа [35]. Показателем эффективности закачки является достижение смесимости диоксида углерода с нефтью. При смешивающимся вытеснении практически исчезает граница раздела фаз между вытесняющим агентом (СО
2
) и нефтью, что увеличивает текущую добычу и повышает коэффициент извлечения. Закачка СО
2
в качестве агента МУН является единственным изученным способом, который, в конечном итоге, может декарбонизировать ископаемые виды топлива.
4. Закачка в угольные пласты. Неразрабатываемые (в силу глубокого залегания или малой мощности) угольные пласты потенциально могут использоваться для захоронения в них СО
2
. Закачка диоксида углерода также может использоваться в рамках проектов по добыче метана угольных пластов.
Однако такие пласты крайне малоизучены и их геология нерегулярна, а с точки зрения доступного объема данный вариант является самым непривлекательным.
На сегодняшний день уже накоплен достаточный опыт по всем этапам создания и работы с проектами захоронения СО
2
, описаны лучшие практики для поиска подходящих объектов для закачки. Анализ накопленного опыта по подобным проектам позволил заключить, что перспективный для закачки и хранения углекислого газа в геологический объект должен удовлетворять нескольким основным требованиям [50].
Во-первых, такой объект должен обладать достаточными фильтрационно-емкостными свойствами для достижения нужного уровня приёмистости и для обеспечения хранения промышленного объёма углекислого газа. Для этого лучше всего подходят истощенные нефтяные или газовые месторождения, применение CO
2
в качестве агента в методах увеличения нефтеотдачи, а также глубокозалегающие высокоминерализированные водоносные горизонты.